Читать интересную книгу Физика невозможного - Мичио Каку

Пока физичиские и экономические аспекты протон-протонного синтеза не разработаны, трудно давать точные оценки относительно возможностей прямоточных двигателей. Но этот тип двигателей находится в числе перспективных кандидатов на миссию полёта к звездам.

Ядерный электрореактивный двигетель

В 1956 году Комиссия по атомной энергетике США (AEC) начала серьезно рассматривать ядерные ракеты в рамках проекта Rover. В теории, ядерный реактор должен использоваться для разогрева газов (напр. водорода) до экстремально высоких температур. Затем эти газы будут выбрасываться из сопла ракеты, создавая тягу.

Из-за опасности взрыва и попадания в атмосферу Земли токсичного ядерного топлива, ранние версии ядерных ракетных двигателей размещали горизонтально на железнодорожных путях, где тщательно проверяли их работоспособность. Первым ядерным ракетным двигателем, созданным для тестирования в рамках проекта Rover в 1959 году, был Киви 1 (метко названный в честь австралийской нелетающей птицы). В 1960-х годах NASA вместе с AEC создали ядерный двигатель для ракетных транспортных средств (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications, NERVA), ставший первой ядерной ракетой, которую испытали в вертикальном, а не в горизонтальном положении. В 1968 г. он был запущен на стенде соплом кверху.

Результаты этих исследований оказались весьма спорными. Ракеты получались чрезвычайно сложными, и испытания часто заканчивались неудачей. В ядерном двигателе возникали очень сильные вибрации, оболочки тепловыделяющих сборок лопались, и ракета разваливалась. Другой постоянной проблемой была коррозия из-за горения водорода при высокой температуре. В конце концов в 1972 г. ядерная ракетная программа была закрыта.

(У этих атомных ракет была и еще одна проблема: опасность начала самопроизвольной ядерной реакции, что было бы эквивалентно взрыву небольшой атомной бомбы. На атомных электростанциях сегодня ядерное топливо присутствует в небольшой концентрации, и они не могут взорваться подобно хиросимской бомбе. А вот ядерные ракетные двигатели для получения максимальной тяги работали на высокообогащенном уране, и потому в них могла в принципе возникнуть цепная реакция и, соответственно, атомный взрыв. Перед самым закрытием программы ученые решили провести еще одно, последнее испытание — попытаться взорвать ракету как атомную бомбу. Они удалили из реактора все управляющие стержни, которые помогают удерживать реакцию под контролем. Реактор послушно перешел в сверхкритичное состояние и взорвался яростным огненным шаром. Этот впечатляющий конец программы по разработке ядерных ракетных двигателей даже засняли на пленку. Русские были недовольны. Они сочли эту выходку нарушением Договора о частичном запрещении ядерных испытаний, согласно которому все взрывы атомных бомб, за исключением подземных, находились под запретом.)

Время от времени военные возвращаются к идее ядерной ракеты. Один из секретных проектов такого рода назывался «Тимбервинд» и был в 1980-х гг. частью военной программы «звездных войн». (От него отказались после того, как Федерация американских ученых опубликовала информацию о его существовании.)

Главная проблема ядерных ракетных двигателей — безопасность. Даже теперь, через полвека после начала космической эры, запуски ракет на химическом топливе иногда (примерно в 1% случаев) заканчиваются катастрофически. (Гибель космических челноков «Челленджер» и «Колумбия», на которых нашли свою смерть 14 астронавтов, также подтверждает эту статистку аварий.)

Тем не менее несколько лет назад NASA возобновило исследования по ядерной ракете — впервые после программы NERVA 1960-х. В 2003 г. NASA окрестило свой новый проект «Прометеем» в честь греческого бога, давшего человечеству огонь. В 2005 г. на программу «Прометей» было выделено 430 млн долл., но уже в 2006 г. финансирование было урезано до 100 млн долл. В настоящий момент будущее этого проекта неясно[27].

Импульсный ядерный двигатель

Еще одна теоретическая возможность — использовать в качестве движителя серию ядерных мини-бомб. К примеру, проект «Орион» предусматривал последовательное выбрасывание небольших термоядерных бомб позади корабля, чтобы он мог «оседлать» ударную волну от их взрывов. Теоретически такая система может разогнать космический корабль до скорости, близкой к скорости света. Идею такого корабля впервые высказал в 1947 г. Станислав Улам, который участвовал и в разработке первых водородных бомб; позже ее развили Тед Тейлор, один из главных разработчиков ядерных боеголовок для американских военных, и физик Фримен Дайсон из Института перспективных исследований в Принстоне.

В конце 1950-х и в 1960-х гг. были проведены тщательные расчеты для межзвездного корабля, основанного на этом принципе. Согласно полученным оценкам, он мог бы за год слетать до Плутона и обратно, достигнув при этом скорости в 10% скорости света[28]. Но даже на такой скорости до ближайшей звезды пришлось бы лететь 44 года. Ученые рассматривали варианты, когда космический ковчег с таким движителем летел бы в космосе несколько столетий; в экипаже сменялись бы поколения, и многим пришлось бы прожить всю жизнь в этом движущемся мирке, чтобы их потомки могли добраться до близлежащих звезд.

В 1959 г. компания General Atomics выпустила доклад, в котором провела оценку размеров корабля типа «Орион». Самый крупный вариант, названный в докладе «супер-Орионом», должен был весить 8 млн т, иметь диаметр 400 м и двигаться на ударной волне от более чем тысячи водородных бомб.

Главная проблема, связанная с этим проектом, — возможность заражения района старта ядерными осадками. По оценке Дайсона, ядерные осадки от каждого запуска могут вызвать смертельную форму рака у десяти человек. Кроме того, электромагнитный импульс от взрыва так велик, что непременно вызвал бы массу коротких замыканий в расположенных неподалеку электрических системах.

Подписание в 1963 г. Договора о частичном запрещении ядерных испытаний стало похоронным звоном по этому проекту. Со временем сдался даже главный его сторонник, разработчик ядерных бомб Тед Тейлор. (Он однажды признался мне, что окончательно разочаровался в проекте, когда понял, что техническими наработками подобного проекта могут воспользоваться террористы для создания портативных атомных бомб.

Проект был закрыт как слишком опасный, но его имя продолжает жить в названии космического корабля «Орион», которым NASA планирует в 2015 г. заменить космические челноки.)

В 1973-1978 гг. концепция звездолета с ядерным движителем ненадолго возродилась в проекте «Дедал» Британского межпланетного общества. Проект представлял собой предварительное исследование возможности постройки беспилотного корабля, способного достичь звезды Барнарда — ее отделяет от Земли расстояние в 5,9 св. года. (Звезда Барнарда была выбрана в качестве цели потому, что предполагалось наличие возле нее планеты. С тех пор астрономы Джил Тартер и Маргарет Тёрнбулл составили список из 17129 не слишком далеких звезд, возле которых могут оказаться пригодные для жизни планеты. Самый многообещающий кандидат — эпсилон Индейца А — находится от нас на расстоянии 11,8 св. года.)

Ракетный корабль по проекту «Дедал» оказался таким громадным, что строить его пришлось бы в открытом космосе. Она должна была весить 54 000 т (почти весь вес — ракетное топливо) и могла разогнаться до 7,1% скорости света, неся на себе полезную нагрузку весом 450 т. В отличие от проекта «Орион», рассчитанного на использование крохотных атомных бомб, проект «Дедал» предусматривал использование миниатюрных водородных бомб со смесью дейтерия и гелия-3 и системой зажигания при помощи электронных лучей. Но огромные технические проблемы и опасения, связанные с ядерным движителем, привели к тому, что проект «Дедал» также был отложен на неопределенное время.

Удельный импульс и эффективность двигателя

Если нужно сравнить эффективность различных типов двигателей, инженеры обычно говорят об удельном импульсе. Удельный импульс определяется как изменение импульса на единицу массы израсходованного топлива. Таким образом, чем эффективнее двигатель, тем меньше топлива требуется для вывода ракеты в космос. Импульс, в свою очередь, есть результат действия силы в течение определенного времени. Химические ракеты, хотя и обладают очень большой тягой, работают всего несколько минут, а потому характеризуются очень низким удельным импульсом. Ионные двигатели, способные работать годами, могут иметь высокий удельный импульс при очень низкой тяге.

Удельный импульс измеряется в секундах. Средняя ракета с химическим двигателем может иметь удельный импульс до 400-500 с. Так, удельный импульс двигателя шаттла составляет 453 с. (Самый высокий полученный до сих пор удельный импульс для химического реактивного двигателя составил 542 с; в качестве топлива этот двигатель использовал экзотическую смесь водорода, лития и фтора.) Ионный движок аппарата SMART-1 имел удельный импульс 1640 с. У ядерных ракетных двигателей этот параметр достигает 850 с.